Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Требования, предъявляемые к медным сплавам при литье под давлением, значительно отличаются от требований, которые предъявляются к ним при литье в кокиль или в песчаные формы. В то время как ряд медных сплавов с высокими литейными свойствами (например, оловянные бронзы) не нашел применения для литья под давлением, сплавы с низкими литейными свойствами, более пригодные для обработки давлением, успешно применяются в литье под давлением.
Высокая температура плавления медных сплавов и усиленный износ форм, вызываемый ими, заставляет производить заливку при наиболее низких температурах; в значительном ряде случаев медные сплавы заливают в жидко-твердом состоянии. В процессе заливки температура металла, соприкасающегося со стенками формы, падает, причем металл иногда доходит до пластического состояния, при котором его и запрессовывают окончательно в форму. Таким образом, в конце каждого цикла процесс отливки медных сплавов на прессующих гидравлических машинах во многом сходен с горячей штамповкой.
Латунь. Из медных сплавов самым широким применением пользуется латунь как сплав с наименьшей температурой плавления, обладающий высокой пластичностью.
Латунь, как известно, представляет собой серию твердых растворов меди с цинком. Структура латуни зависит от содержания цинка и от скорости охлаждения. При диаграмме состояния медь-цинк в латуни с содержанием до 39% Zn присутствует одна лишь α-составляющая. При большом содержании цинка появляется β-составляющая. При содержании в сплаве 45—50% Zn структура латуни представляет собой β-раствор, значительно более твердый, чем α-раствор, характерный низким значением относительного удлинения.
Для фасонного литья в большинстве случаев применяется (α+β) -латунь, причем в условиях быстрого охлаждения β-составляющая может наблюдаться при содержании 33,5% Zn.
В условиях литья под давлением при огромной скорости охлаждения и действии давления β-составляющая образуется при более низком содержании цинка (от 30%). Так как в литье под давлением металл в первую очередь затвердевает у стенок формы, образуя мелкозернистую корку, то β-составляющая преобладает в структуре этой корки. В толстостенных отливках следствием этого является неравномерное распределение механических свойств по их сечению: большие значения предела прочности и твердости при меньшем удлинении имеет наружная часть отливки, меньшие значения предела прочности при большем удлинении наблюдаются в ее сердцевине.
При определении оптимального состава латуни для литья под давлением необходимо исходить из следующих соображений.
Пластичность латуни в горячем состоянии зависит от содержания в сплаве β-составляющей. Если в сплаве преобладает α-составляющая, то он в горячем состоянии отличается малой пластичностью и хрупкостью. При содержании в сплаве 36—40% Zn латунь обладает хорошей пластичностью в горячем состоянии и допускает заливку (запрессовку) при низких температурах. В сплаве с малым содержанием цинка преобладание β-составляющей не всегда может быть обеспечено, так как оно зависит от условий охлаждения и переохлаждения. Отливку при этом приходится вести при более высокой температуре, свойственной сплавам с малой пластичностью, причем высокая температура усиливает износ форм.
Олово в латуни является примесью, понижающей ее пластичность в горячем состоянии, поэтому содержание олова не должно превышать 0,6%; обычно оно ограничивается еще меньшими пределами (порядка 0,1%).
Алюминий, вводимый в латунь в небольших количествах (до 0,1%), является полезной примесью. Шлакообразование, вызываемое длительным нахождением расплавленной латуни в раздаточной печи, почти совершенно прекращается с присадкой алюминия. Кроме того, алюминий образует оксидную пленку на поверхности отливки, чем облегчает извлечение отливки из формы.
Свинец способствует сохранению сплава в пластическом состоянии в течение длительного срока и улучшает обрабатываемость отливок. В присутствии свинца уменьшается также склонность отливок к налипанию на форму. Однако избыток свинца вредно отражается на вязкости металла.
Оловянные бронзы. Оловянные бронзы непригодны для литья под давлением ввиду их высокой температуры плавления и большого интервала кристаллизации. Взамен оловянных бронз применяются алюминиевые бронзы и специальные латуни: марганцовая и кремнистая.
Кремнистая латунь. Среди бронз-заменителей кремнистые латуни являются наилучшими сплавами для фасонного литья. Они отличаются большой жидкотекучестью, что позволяет отливать из этих сплавов под давлением детали со стенками толщиной 0,8 мм.
Железо содержится в них в форме силицида железа, образующего твердый раствор с медью, поэтому в шихте допускается железо в большем проценте, чем в других медных сплавах.
Эти сплавы дают возможность использовать в шихте латунные (мунцевые) отходы и стружку.
При содержании кремнистой латуни в раздаточно-подогревательной печи значительно меньше выгорания (улетучивания) цинка.
Медь обладает способностью образовывать твердый раствор с кремнием, причем при комнатной температуре растворимость кремния и меди доходит до 5,2%. С увеличением содержания кремния появляется составляющая, обладающая повышенной хрупкостью.
Максимальную твердость в пределах твердого раствора имеют сплавы, отвечающие пределу насыщения меди кремнием. Таким образом, для литья содержание кремния не должно превышать 3%.
Железо улучшает до известного содержания механические свойства сплава, которые начинают улучшаться, но затем, когда в структуре сплава появляется хрупкая железосоставляющая, они снова начинают ухудшаться. В кремнистых латунях, содержащих 2—4% Si и 8—20% Zn, допускается до 1,0% Fe. При таком содержании железа можно применять для изготовления этих сплавов высокопроцентный ферросилиций вместо лигатуры медь—кремний или металлического кремния.
Свинец. Действие свинца на кремнистую латунь аналогично его действию на обычную латунь. Свинец повышает также антифрикционность сплава.
Сурьма и олово являются вредными примесями, увеличивающими хрупкость сплава. Содержание сурьмы не должно превышать 0,05 %, олова — 0,1 %.
Алюминий увеличивает прочность и твердость сплава. Присадка алюминия в количестве 1 % к сплаву ЛК80-3 дает предел прочности до 65 кг/мм2 высокую твердость (до 200 H3) при удлинении от 1—3%.
При работе с кремнистой латунью необходимо иметь в виду, что уже малые добавки цинка, а в еще большей степени добавки кремния значительно увеличивают предел прочности и твердость, но в то же время быстро повышают и хрупкость сплава. Это обязывает весьма тщательно вести шихтовку.
Из кремнистых латуней лучшие результаты дают при отливке деталей с переменными сечениями сплавы с высоким содержанием цинка и соответственно меньшим содержанием кремния.
Данные о медных сплавах для литья под давлением приведены в табл. 41.
Литье под давлением медных сплавов по технологии, аналогичной той, которая применяется для литья из алюминиевых сплавов, в ряде случаев нерентабельно из-за малой стойкости форм.
Из числа мероприятий, увеличивающих стойкость форм, следует отметить следующие:
1) уменьшение эрозионного действия струи металла с помощью литниковой системы (полное устранение лобовых ударов, завихрений и чрезмерно больших скоростей впуска);
2) понижение температуры заливаемого металла до самого низкого предела, вплоть до применения жидко-твердого металла, применяя соответственно более высокие удельные давления;
3) применение смазок на графитовой и асбестовой основе;
4) очень быстрое удаление отливки из формы. В этом отношении преимущества имеют машины с горизонтальной камерой прессования, а также машины с вертикальной камерой, расположенной в плоскости разъема формы, в которых форма сможет быть открыта до среза литникового остатка;
5) уменьшение скорости опускания прессующего пуансона;
6) охлаждение формы водой (40—50° С) с расположением каналов на близком расстоянии от рабочей полости; также интенсивное охлаждение формы сжатым воздухом после каждой операции;
7) водяное охлаждение крупных неподвижных стержней. Подвижные боковые стержни целесообразно делать сменные, прикрепляемые к хвостовикам;
8) периодическое снятие напряжений, приводящих к образованию трещин разгара путем периодических повторных отпусков формы (или вставок);
9) максимально допускаемое уменьшение толщины стенок деталей, учитывая, что это не уменьшает их прочности и гидравлической герметичности;
10) увеличение обтекаемости деталей с устранением острых углов и уменьшением высоты выступающих частей;
11) применение армирования отливок вкладышами на участках, подвергаемых наибольшему износу или требующих высокой чистоты поверхности (особенно при трудоемкости их зачистки);
12) для уменьшения выгорания цинка при длительном содержании сплавов типа латуни в раздаточно-подогревательных печах держать металл под покровом борного шлака.
Борный шлак представляет собой смесь, состоящую из 94% буры и 6% магния (в весовых частях). Для его приготовления сначала переплавляется бура, размалывается и смешивается с порошкообразным магнием. Готовая смесь нагревается до 950—1000°С и после перемешивания расплав разливается на железный лист. После остывания получается стекловидная хрупкая масса.
Общие соображения о литье под давлением медных сплавов. Несмотря на сравнительно малую стойкость форм, при литье медных сплавов сохраняются основные преимущества литья под давлением — повышение прочности и коррозиоустойчивости деталей, получение износоустойчивой корочки и высокая производительность. При литье медных сплавов нельзя предъявлять обычные требования к чистоте поверхности и полностью отказываться от механической обработки.
Существует значительный ряд мелких сложных деталей, которые до настоящего времени изготовляются с помощью механических операций из куска сортовой латуни.
Несмотря на наличие мелких заусенцев, образующихся по мере износа форм, литье под давлением может быть осуществлено с малыми припусками на механическую обработку (0,5—0,7 мм), что, несомненно, более экономично, чем изготовление подобных деталей из куска.
Наиболее рентабельно применение литья под давлением для деталей с фасонными полостями, которые трудно обработать режущим инструментом, а также для водяной, паровой и газовой арматур, имеющих в большинстве случаев обтекаемую форму. К чистоте поверхности арматуры предъявляются сравнительно невысокие требования, но отливка должна отличаться герметичностью и механической прочностью.